麥克風作為將聲音信號轉換為電信號的核心傳感器，其性能指標對最終音頻質量至關重要。在傳統電容式MEMS麥克風占據主導地位的今天，壓電式MEMS麥克風憑借其獨特的優勢，尤其是在實現高聲學過載點方面的卓越能力，正在特定的應用場景中嶄露頭角，成為解決高聲壓級環境下拾音難題的關鍵技術。

什么是AOP？

AOP代表聲學過載點。它衡量的是麥克風能夠處理而不產生顯著失真（通常指總諧波失真達到10%時）的最大聲壓級。

重要性：高AOP意味著麥克風能夠在非常嘈雜的環境中（如音樂會現場、工業環境、靠近聲源處）清晰地拾取聲音，而不會因為聲音過大導致信號削波失真。這對于捕捉高動態范圍的聲音至關重要。

壓電MEMS麥克風的核心原理

與傳統電容式MEMS麥克風利用可動極板與背板之間電容變化感測聲音不同，壓電MEMS麥克風的工作原理基于壓電效應：

壓電材料層：麥克風的振膜或懸臂梁結構中集成了具有壓電特性的薄膜材料（常用材料包括氮化鋁、氧化鋅、鋯鈦酸鉛等）。

聲壓作用：當聲波作用于振膜時，引起振膜產生微小的機械形變（彎曲或拉伸/壓縮）。

電荷生成：壓電材料在受到機械應力時，其內部會產生與應力成正比的電荷分離（正負電荷中心偏移），從而在材料兩端產生電壓差。

電信號輸出：這個電壓差（或由此產生的電流）被直接拾取并轉換為電信號輸出，代表原始的聲音信息。

高AOP壓電麥克風的優勢

壓電MEMS結構在實現高AOP方面具有先天優勢：

無偏置電壓需求：

電容式麥克風需要穩定的直流偏置電壓來建立工作點。在極高聲壓級下，振膜的過度位移可能導致極板接觸短路，造成永久性損壞或嚴重失真。

壓電麥克風無需直流偏置電壓，其輸出信號直接由機械形變產生。這從根本上消除了因過大聲壓導致偏置電路崩潰或極板接觸的風險，使其天然具備更高的耐壓能力。

結構堅固性與大位移容忍度：

壓電換能器結構相對簡單堅固。振膜的設計可以更側重于機械強度和線性位移范圍，而不像電容式那樣需要嚴格控制極板間距來維持高靈敏度。

在高壓聲波沖擊下，壓電振膜可以承受更大的位移而不會損壞或產生非線性失真（只要在壓電材料本身的彈性極限內）。

高線性度輸出：壓電效應本身在較大形變范圍內具有良好的線性度，這有助于在高聲壓級下保持較低的諧波失真。

低功耗潛力：由于無需提供偏置電流，壓電麥克風在讀取電路設計得當的情況下，系統整體功耗可以非常低。

抗射頻干擾/電磁干擾：壓電式麥克風通常輸出阻抗較高，信號電平也較高，對RFI/EMI的敏感性相對較低。

典型性能指標

AOP：高性能壓電MEMS麥克風的AOP可以輕松達到 > 150 dB SPL或更高。這遠高于普通消費級電容MEMS麥克風（通常為120-130 dB SPL）。

靈敏度：傳統上，壓電麥克風的靈敏度可能略低于頂級電容式麥克風，但近年來隨著材料優化和結構設計進步，其靈敏度已顯著提升，能夠滿足大部分應用需求（例如在 -38 dBV/Pa至 -26 dBV/Pa范圍）。

信噪比：SNR也在持續改善，高端壓電MEMS麥克風可以達到 65 dBA或更高。

頻率響應：可以設計成滿足特定應用的頻率范圍要求。

尺寸：得益于MEMS工藝，壓電麥克風同樣可以做到非常小的封裝尺寸（如 3.7mm x 2.9mm x 1.1mm）。

核心應用場景

高AOP壓電MEMS麥克風特別適合于需要在高噪聲環境中清晰拾音或需要捕捉極高聲壓級信號的場景：

消費電子：

智能手機/可穿戴設備：在嘈雜街道、演唱會現場、風噪環境下進行清晰通話和錄音。防水設計的潛力也使其適合運動設備。

智能音箱/語音助手：在播放高音量音樂的同時，仍需清晰地拾取遠場語音命令（“音樂打斷”功能）。

降噪耳機：更準確地捕捉外部環境噪音（尤其是高頻部分）進行主動降噪。

工業應用：

工業設備狀態監測與故障診斷（通過聲音分析）。

工廠環境中的語音通信與控制系統。

高噪聲環境下的安全監控音頻采集。

汽車電子：

車內通話系統，尤其當車窗打開或高速行駛時克服風噪和路噪。

發動機艙或底盤附近的噪聲監測。

緊急呼叫系統。

專業音頻：

樂器近距離拾音（如鼓、吉他音箱）。

需要極高動態范圍錄音的場合。

醫療設備：某些需要監測體內聲音或在高噪聲醫療環境中使用的設備。

技術挑戰與發展趨勢

挑戰：

提升靈敏度與SNR：在保持高AOP的同時，進一步提高靈敏度和信噪比，使其在安靜環境下也有優異表現。

低頻響應：壓電結構有時在極低頻響應方面需要特殊設計優化。

溫度穩定性：壓電材料的特性可能受溫度影響，需要補償。

工藝復雜性與成本：高性能壓電薄膜（如ScAlN, PZT）的沉積和圖形化工藝相對復雜。

趨勢：

新材料開發：摻雜的氮化鋁（如ScAlN）、高性能PZT薄膜等提升壓電系數。

創新結構設計：優化振膜幾何形狀、支撐結構、多層復合結構等以提升性能。

晶圓級封裝與集成：降低成本，提高可靠性和一致性。

片上信號處理：集成前置放大器、ADC甚至DSP，提供更優的輸出信號質量和智能功能。

多麥克風陣列應用：結合波束成形等技術，進一步提升在高噪聲環境中的語音拾取能力。

結論

高AOP壓電MEMS麥克風代表了MEMS聲學傳感技術的一個重要發展方向。它充分利用了壓電效應的獨特優勢，特別是在無需偏壓、天然耐高壓、結構堅固等方面，實現了遠超傳統電容式麥克風的聲學過載點。這使得它成為在極端嘈雜環境、高動態范圍拾音、以及需要高可靠性和低功耗的應用中的理想選擇。隨著材料科學、MEMS工藝和電路設計的不斷進步，高AOP壓電MEMS麥克風在靈敏度、信噪比和成本方面的性能將持續優化，其市場滲透率將在消費電子、汽車、工業和專業音頻等領域加速增長，為各種“聽得清”的挑戰性場景提供關鍵解決方案。

目前纖聲科技已量產產品CSM4500A AOP已達到150dB SPL.

審核編輯 黃宇